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1 Elastomers and Composites Vol. 44, No. 2, pp. 106~111 (June 2009) 특집 조직공학을위한생체모사용스캐폴드개발 박수아 이준희 김완두 한국기계연구원나노융합기계연구본부 (2009 년 4 월 17 일접수, 2009 년 5 월 4 일수정및채택 ) Development of Biomimetic Scaffold for Tissue Engineering Su A Park, Jun-Hee Lee, and Wandoo Kim Nano-Mechanical Systems Research Division, Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM) psa@kimm.re.kr (Received April 17, 2009, Revised & Accepted May 4, 2009) 요약 : 조직공학은기능을상실한인체를대체하거나복원하기위해인공대체품을개발하기위한중요한학문이다. 특히, 세포가자랄수있는지지체역할을하는스캐폴드는조직공학연구를위한중요한부분을차지하고있다. 그래서, 3 차원조직공학용스캐폴드개발을위한다양한제조방법을소개하고자하였다. 스캐폴드의일반적인제조방법으로는염침출법 (solvent-casting particulate-leaching), 염발포법 (gas foaming/salt leaching), fiber meshes/fiber bonding 법, 상분리법 (phase separation), melt moulding 법, 동결건조법 (freeze drying) 이있으며, 넓은표면적을가진스캐폴드개발방법으로전기방사법이알려져있다. 또한, 최근에는스캐폴드내부의균일한세포의침투를유도하기위해적당한공극크기를조절하고우수한공극률을가진스캐폴드를개발하고자 stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), fused deposition modeling (FDM), 및 3D printing (3DP) 와같은다양한 solid freeform fabrication (SFF) 기술이개발되어지고있다. ABSTRACT:Tissue engineering is a research field for artificial substitutes to improve or replace biological functions. Scaffolds play a important role in tissue engineering. Scaffold porosity and pore size provide adequate space, nutrient transportation and cell penetration throughout the scaffold structure. Scaffold structure is directly related to fabrication methods. This review will introduce the current technique of 3D scaffold fabrication for tissue engineering. The conventional technique for scaffold fabrication includes salt leaching, gas foaming, fiber bonding, phase seperation, melt moulding, and freeze drying. These conventional scaffold fabrication has the limitations of cell penetration and interconnectivity. In this paper, we will present the solid freeform fabrication (SFF) such as stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), and fused deposition modeling (FDM), and 3D printing (3DP). Keywords:tissue engineering, scaffold, solid freeform fabrication Ⅰ. 서론조직공학은다양한분야의생명과학과공학기술을융합하여생체대용품을만들어이식함으로써사고나질병에의해결손된우리몸을대체또는복원하는것을목적으로하고있는학문이다. 조직공학에서중요한하나의요소가인공장기를구성하고있는생체재료로서, 생체적합성이우수하여야하며, 독성이없어야한다. 이에더불어, 기계적, 물리적성질및성형가공성이사용목적및용도에알맞게요구되어진다. 또한, 큰표면적의부피와다공성을가져야하며, 생분해성을고려해야한다. 이러한세포가지지하며자랄수있는지지체역할을하는조직공학용스캐폴드개발은생물학, 공학, 그리고, 의학등다학제간협동연구가필요하다. 생체조직공학에서세포가자랄수있는지지체역할을하는스캐폴드는천연고분자재료와합성고분자재료로나뉘어진다. 천연유래생체재료는세포외기질과비슷한성질을가지고있으며, 비교적우수한생체적합성을지니고있다. 천연유래고분자로는알지네이트, 콜라겐, 피브린, 키토산, 실크등이널리알려져있다. 이에비해합성고분자재료는값이싸며, 분자구조와분자량을조절할수있어물리적, 기계적특성을조절할수있고, 생분해성을조절할수있는장점을가지고있다. 대표적인합성고분자재료는 PLGA, PGA, PLA, PCL 등이있다.

2 Development of Biomimetic Scaffold for Tissue Engineering 107 Figure 1. Conventional methods for scaffold fabrication. 1. 조직공학을위한일반적인스캐폴드제작방법 인체결손부위의복원을위한인공지지체인 3차원스캐폴드를제작하기위한일반적으로알려진기술은염침출법 (solvent-casting particulate leaching), 염발포법 (gas foaming/salt leaching), fiber meshes/fiber bonding 법, 상분리법 (phase separation), melt moulding 법, 동결건조법 (freeze drying) 이있다 (Figure 1). 1 대표적인염침출법은다공성스캐폴드를제조하

3 108 Su A Park et al. / Elastomers and Composites Vol. 44, No. 2, pp. 106~111 (June 2009) 기위한가장잘알려져있는방법으로서, 혼합하는염결정형태에따라공극의형태가결정되어진다. 그러나, 지지체내부의상호연결성이약하기때문에세포의침투와배양을방해할수있으며, 두꺼운지지체의경우, 염결정의잔류문제가야기되어지고있다. 염발포법은염침출법과비슷하나, 유기용매가완전히제거되지않은겔상의생분해성고분자와염결정을이용하여원하는형태를제조할수있다. 또한, 높은압력하에서 CO 2 가스를이용하여고분자를팽창시킴으로써공극을발생시키는가스발포법이있다. Fiber meshes/fiber bonding 법은무작위적으로풀어진봉합사의가닥들을열처리하여삼차원적형태를구성한것으로매우높은공극률과공극의크기및공극사이의상호연결성을갖추고있으나, 기계적강도가약하다. 상분리법은생분해성고분자를유기용매에용해한후, 나프탈렌과같은승화성이있는물질을혼합하여용융시킨후, 승화에따른상분리에의해스캐폴드를제조하는방법이다. Melt moulding 법은 PLGA 파우더와젤라틴입자를테플론몰드에넣어열을가한후, 젤라틴은녹여내는방법이다. 동결건조법은유기용매에녹인고분자를동결건조에의해얼음결정을녹여내어스캐폴드를제조하였다. 또한, 전기방사법에의한섬유상의스캐폴드는높은공극률과더불어단위부피당최대의표면적을지니게되는데, 이것은세포를고밀도로배양할수있는표면적을제공하며, 배양시에도원활한물질교환을기대할수있다. 2,3 2. Solid freeform fabrication (SFF) 기술을이용한스캐폴드제작방법 인체의각부위에따른세포의성장을위해요구되어지는스캐폴드의공극의크기는 3차원스캐폴드의구조적조건을고려해보면, 다음의 Table 1과같다. 이를만족하기위해많은스캐폴드제작기술이개발되어지고있는데, 최근스캐폴드의공극크기, 공극률과공극간상호연결성을높여세포의침투를높이고, 영양분순환이나산소의공급을높이고자다양한 RP 장비를이용한 solid freeform fabrication (SFF) 기술이개발되어지고있는데, stereolitho- Table 1. Scaffold pore size 5 μm for neovascularization 5-15 μm for fibroblast ingrowth 20 μm for the ingrowth of hepatocytes μm for adult mammalian skin μm for osteoid ingrowth μm for regeneration of bone 500 μm for fibrovascular tissues for rapid vascularization and survival of cells graphy (SLA) 방법, selective laser sintering (SLS) 방법, fused deposition modeling (FDM) 방법, 3D printing (3DP) 방법, 3D plotting 방법등이있다 (Figure 2). 1,4,5,6 SLA (Stereo Lithography Apparatus) 은액상의광경화성재료표면에레이저광선을선택적으로주사하여주사된부분이경화되는원리를이용함으로써, 한층의단면형상이생성되면경화성재료용기받침대를한층두께만큼내리고다시레이저광선을주사하여다음층을생성하여스캐폴드를제작하는방법이다. FDM (Fused Deposition Modelling) 방식은필라멘트선으로된열가소성물질을노즐안에서가열하여노즐을통해분사시켜굳힌후, 한층이굳어지면그위로노즐을이동시킨후같은공정을통해다음층을생성하는원리이다. 3DP (Three Dimension Printing) 방식은얇은분말을롤러를이용하여균일하게펼친후프린터헤드를일정방향으로이동시키고결합제를뿌려분말입자를결합시키는방식으로, 이와같은과정을반복하여 3차원구조물을형성한다. 3D Plotter 는일정한간격을단위로 X방향, Y방향으로이동시켜플로팅하는방식으로, 생체조직에적합한폴리머를가진노즐을이동시키면서폴리머라인을적층하는형식이다. 그중에서바이오조형기는 3차원쾌속조형 (Rapid Prototyping -RP) 기술을이용하여생체기관 / 조직의이식에필요한스캐폴드의제작에쓰이는장비로서컴퓨터를이용하여설계된 3차원모델을현실적인 3차원형상의제품으로만들어낸다. 바이오조형기기술은바이오조형기장비제작에만관계되는것이아니라재료기술, 스캐폴드제작에적합한 CAD 데이터생성기술, 후처리및가공기술등이함께연구되며발전해왔다. 바이오조형기는 3D Plotter 의일종으로다른 RP 장비와다르게유일하게세포와바이오물질을직접사용하여노즐을통해 3차원스캐폴드를바로제작할수있다. 3. SFF 기술을이용한스캐폴드연구개발동향 MIT의 Sachs연구팀은 3D printing기술을적용한제작법을제안하였는데, 잉크젯프린트헤드를통하여금속혹은세라믹파우더가혼합된용액과아크릴계열의공중합된고분자와콜로이드상의실리카바인더를통하여스캐폴드를제작하였으며, 이러한적층방식 (layer-by-layer construction) 을도입하여 3 차원구조를형성하였다. 미국 Boston Univ. 의 R. A, Giordano와공동연구자들은녹말가루, 설탕, 고분자혹은접착제등과혼합된파우더혼합액을프린팅에적용하였고, PLA를이용하여스캐폴드를 3D 프린팅방식으로제작하였다. 싱가폴국립대학의 C. Lam 과공동연구자들은 3차원구조의스캐폴드를제작하기위하여천연고분자 ( 녹말가루, 젤라틴, 덱스트란등의혼합물 ) 를사용하여 3차원프린팅방식을이용하였다.

4 Development of Biomimetic Scaffold for Tissue Engineering 109 Figure 2. Solid freeform fabrication (SFF) for scaffold fabrication. 영국맨체스터대학 Material Science Center의 Brian Derby 연구팀은콜라겐스캐폴드를만들기위하여사용된공정에서 SFF 기술및임계점건조기술을사용하여몰드를제작하였 다. 제작될몰드의 CAD 파일이개발되어지고, 몰드는위상변화 (Phase Change) 잉크제트프린터를사용하여제작되었다. 독일의 Envisiontec 사연구팀에서는세계최초의상용판매

110 Su A Park et al. / Elastomers and Composites Vol. 44, No. 2, pp. 106~111 (June 2009) 되는바이오조형기를개발하였으며, 이는조직공학과약물전달계의응용분야를위해개발된 3차원형상자동배분장치로서, 1999년독일프라이버그재료연구소에서개발되어 Envisiontec사에의해상용화되었다.

Extruder를이용한스캐폴드제작을위해 Fused Deposition Modeling (FDM) 방식과유사한 Mini Extruder Deposition (MED) 방식을자체개발하였다. 스캐폴드제작공정은 CAD 모델을 STL 파일로변환하고, 시스템초기화및공정변수를설정하여, 온도및스테이지제어를통해스캐폴드를제작하게된다.

5 110 Su A Park et al. / Elastomers and Composites Vol. 44, No. 2, pp. 106~111 (June 2009) 되는바이오조형기를개발하였으며, 이는조직공학과약물전달계의응용분야를위해개발된 3차원형상자동배분장치로서, 1999년독일프라이버그재료연구소에서개발되어 Envisiontec사에의해상용화되었다. 미국 Drexel Univ. 의 Wei Sun 연구팀은스캐폴드및조직공학분야에서기계공학기반으로가장활발하게연구하고있는팀중하나로서, 관련세부기술로는스캐폴드제작용장비기술, 스캐폴드패턴설계기술, 스캐폴드모델링기술등이있다. Extruder를이용한스캐폴드제작을위해 Fused Deposition Modeling (FDM) 방식과유사한 Mini Extruder Deposition (MED) 방식을자체개발하였다. 스캐폴드제작공정은 CAD 모델을 STL 파일로변환하고, 시스템초기화및공정변수를설정하여, 온도및스테이지제어를통해스캐폴드를제작하게된다. Wei Sun 연구팀의또다른스캐폴드제작시스템으로 PCL 재료를용융시켜서토출하는 PED와는달리바이오폴리머용액과세포를동시에프린팅할수있는시스템을개발하였다. 일반적인 SFF 공정은솔벤트, 고압, 고온, 후처리공정등을사용함으로생체물질에손상을줄수있으나, 개발되어진공정은생체적합성이좋고, 실온에서이루어지며, 저압을사용함으로세포의손상을최소화할수있다. 생체재료공급시스템은점성이다른하이드로겔을프린팅할수있도록다른종류와크기로된다중분사노즐로구성하였다. 생체재료를이용한스캐폴드를제작하기위해, CaCl2 용액이한레이어두께만큼담긴통에알긴산 (Alginate) 하이드로겔을프린팅하여 3 차원형상을만들어냈다. 최근, MUSC (Medical University of South Carolina) 의 Bioprinting research center에있는 Vladmir 연구팀은 Bioprinting 기술을개발하였는데, 잉크카트리지에세포액들로가득채운다음, 점도, 전기저항과프린팅액체의온도를조절하는시스템을개발하여 3차원구조를만들기위해 Thermo-reversible gel ( 열-가역젤 ) 울사용했으며, 바로조직이나장기를만들어내기위해동맥, 모세관, 정맥의완전한네트워크를프린팅하여기관을살리도록하고있다. 4. 생체모사용스캐폴드개발국내에서는한국기계연구원에서용융타입의바이오플로팅장비를개발하여연구가활발히진행되어지고있다. 이러한장비를이용하여사고나질병에의해소실된인체부위를원상태의인체와유사하게모사하기위해스캐폴드를제작할수있다. CT와같은영상시스템을이용하여소실부부위의이미지를얻어낸후, 이미지파일을이용하여플로팅장비에서생체모사체용스캐폴드를만들어낼수있다 (Figure 3). 개발되어지고있는바이오플로팅장비는스캐폴드제작에있어유기용매를사용하지않는다는장점을가지고있으며, Figure 3. Plotting process for scaffold fabrication. Figure 4. PCL scaffold by bioplotting system. 스캐폴드를이루는스트랜드가닥의성질을속도, 압력, 온도에따라조절가능하여다양한패턴을가진스캐폴드제작이가능하다. 또한, 지지체의형태와크기를고려하여 Figure 4와같이다양한용도의스캐폴드가제작될수있다. 바이오플로팅시스템에의해제작되어진스캐폴드와일반적인스캐폴드제작방법인염침출법으로제작되어진스캐폴드를이용하여세포배양실험을비교한결과, 플로팅된스캐폴드가염침출법스캐폴드에비해스트랜드간격사이로세포가고루부착되어있는양상을나타냈다. 또한, 스캐폴드내부를관찰한결과, 플로팅된스캐폴드의스트랜드가닥사이로세포의부착이관찰되었으나, 염침출법스캐폴드에는세포의침투가약해부착정도가거의나타나지않았다. 플로팅된스캐폴드는내부연결구조가우수하여세포의침투를유도하였고, 영양분이나배지의공급도원활하게제공하였을것이다 (Figure 5). 이러한내부연결구조성이뛰어난플로팅된스캐플드를이용하여세포부착력을높이기위해전기방사법을이용하여, 플로팅기법과전기방사법의융합공정을개발하여초기세포부착력을향상시켰다 (Figure 6). 또한, 세포플로팅장비를개발하고자알지네이트하이드로겔과세포를혼합하여플로팅함으로써인공장기와유사한스캐폴드를만들어내기위한연구를진행중에있다.

Development of Biomimetic Scaffold for Tissue Engineering 111 Ⅱ. 결론 조직공학을위한지지체의개발은생체적합성, 생분해성, 독성, 기계적, 구조적특성을고려하여인체에적합한스캐폴드개발이진행되어져야한다. 현재, 일반적인스캐폴드제작방법을이용하여만들어진지지체는다양한인체부위의기계적구조적성질을고려하여연구되어지고있다.

SEM images of chondrocytes on scaffolds (8 weeks), (a) and (c): side views, (b) and (d): sectional views. Figure 6. Plotting/spinning process for micro/nano scale-scaffold fabrication. 1. E.

6 Development of Biomimetic Scaffold for Tissue Engineering 111 Ⅱ. 결론 조직공학을위한지지체의개발은생체적합성, 생분해성, 독성, 기계적, 구조적특성을고려하여인체에적합한스캐폴드개발이진행되어져야한다. 현재, 일반적인스캐폴드제작방법을이용하여만들어진지지체는다양한인체부위의기계적구조적성질을고려하여연구되어지고있다. SFF기술의경우, 과거공업적활용에많이쓰였지만, 스캐폴드개발과같이의학분야, 생명분야에이용됨으로써다학제간연구를기대할수있으며, 고가의임플란트나스캐폴드를대체할수있을것이다. 향후, 세포플로팅장비를개발하여세포와생체재료를동시에제작함으로써인공장기개발에도움을줄것으로사료된다. 참고문헌 Figure 5. SEM images of chondrocytes on scaffolds (8 weeks), (a) and (c): side views, (b) and (d): sectional views. Figure 6. Plotting/spinning process for micro/nano scale-scaffold fabrication. 1. E. Sacholos and J. T. Czernuszka, Making tissue engineering scaffolds work. Review on the application of solid freeform fabrcation technology to the production of tissue engineering scaffolds, Euro. Cells Mater., 5, 29 (2003). 2. W. E. Teo and S. Ramakrishna, A review on electrospinning design and nanofibre assemblies, Nanotechnology, 17, R89 (2006). 3. S. A. Park, K. E. Park, H. Yoon, J. G. Son, T. J. Min, and G. H. Kim, Apparatus for preparing electrospun nanofibers: designing an electrospinning process for nanofiber fabrication, Polym. Inter., 56, 1361 (2007). 4. S. J. Hollister, Porous scaffold design for tissue engineering, Nature Mater., 4, 518 (2005). 5. X. Wang, Y. Yan, and R. Zhang, Raid prototyping as a tool for manufacturing bioartificial livers, TRENDS in Biotech., 25, 505 (2007). 6. N.E. Fedorovich, J. Dewijn, A.J. Verbout, J. Alblas, and W. J. A. Dhert, Three-Dimensional Fiber Deposition of Cell-Laden, Viable, Patterned Constructs for Bone Tissue Printing, Tissue Eng., 14, 127 (2008).

슬라이드 1

슬라이드 1 11. Bong-Kee Lee Chonnam National University 필요성 디지털생산 (digital manufacturing) 및가상공학 (virtual engineering) 의발전으로디지털시제품을활용하는경우가있으나, 여전히최종적인설계평가를위한물리적인시제품 (prototype) 이요구됨 디지털시제품 : 소프트웨어적으로정밀한 3 차원모델을구축하고현실감있게그래픽처리한모델